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　　合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種用于遙感應(yīng)用的主動(dòng)成像傳感設(shè)備，可以在各種天氣條件下獲得廣域圖像。SAR 成像使用安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的天線，通過(guò)對(duì)接收回波的處理，可獲得更大的合成天線孔徑，從而提高方位分辨率。

　　某一特定頻段的雷達(dá)通常具有不同于其他頻段雷達(dá)的性能、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。例如，眾所周知，穿透能力基本取決于微波頻率[1]。通常，穿透距離與微波頻率成反比。頻率越高，穿透深度越低。此外，地形特征會(huì)影響穿透能力，濕度對(duì)微波穿透起屏蔽的作用[2]。P 波段和 L 波段雷達(dá)系統(tǒng)的新興軍事和民用應(yīng)用包括探測(cè)被樹(shù)葉和/或偽裝隱藏的目標(biāo)、探測(cè)掩埋的物體、林業(yè)應(yīng)用、生物量測(cè)量、考古和地質(zhì)勘探。

　　在另一方面，在更高的雷達(dá)頻率，例如 X、Ku 和 Ka 波段，更容易實(shí)現(xiàn)精確的距離和位置測(cè)量，因?yàn)樗鼈兙哂懈鼘挼膸挘ㄆ錄Q定了距離精度和距離分辨率）和對(duì)于特定尺寸的物理天線的更窄的波束天線（其決定了角度精度和角度分辨率）[3]?？紤]到以上幾點(diǎn)，單一的多波段 SAR 系統(tǒng)在操作靈活性和不同應(yīng)用以及最終用戶的觀測(cè)能力方面的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。

　　本文將介紹基于 Teledyne e2v 專利的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的多波段 SAR 的可行性研究。這些轉(zhuǎn)換器支持高達(dá) Ka 波段的直接信號(hào)生成和直接合成。特別是，直接信號(hào)生成可通過(guò)雙通道 ADC 實(shí)現(xiàn)，其擁有很寬的瞬時(shí)帶寬（12Gsps 時(shí)高達(dá) 6GHz）和很大的輸出模擬帶寬（高達(dá) 25GHz）。這個(gè)可行性研究包括核心技術(shù)的分析、初步架構(gòu)的定義和能夠真正安裝在機(jī)載平臺(tái)上的多波段 SAR 系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。我們將從噪聲等效西格瑪零(NESZ)、接收功率和數(shù)據(jù)率的角度，討論器件的案例和預(yù)計(jì)的性能。

　　核心技術(shù): DAC 和 ADC

　　具有超寬模擬帶寬的高采樣率 DAC 和 ADC 是實(shí)現(xiàn)全數(shù)字多波段 SAR 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　特別是，雙通道 DAC EV12DD700 支持 12Gsps 采樣率，瞬時(shí)帶寬高達(dá) 6GHz，可同時(shí)在多個(gè)奈奎斯特域(NZ)中工作，-3dB 模擬帶寬最高可達(dá) 25GHz。包括 2RF 的多種輸出模式允許在 21GHz 及更高的頻率進(jìn)行無(wú)需上變頻的直接信號(hào)合成，如圖 1 所示。EV12DD700 的其他特點(diǎn)包括：快速可編程復(fù)雜混頻器，支持高敏捷跳頻；可編程 antisinc 濾波器；數(shù)字上變頻和多器件同步。

　　EV12PS640 概念款 ADC 是一款單通道器件，支持用于波束形成的鏈?zhǔn)酵焦δ?。在單?ADC 輸入時(shí)，它最高支持 30GHz 的直接射頻（RF）采樣，如圖 2 所示。單端輸入使接收器信號(hào)路徑的設(shè)計(jì)無(wú)需使用射頻巴倫，從而避免相關(guān)的信號(hào)失真和帶寬限制。它的采樣率高達(dá) 12.8Gsps，最大奈奎斯特域(NZ)為 6.4GHz。

　　初步架構(gòu)

　　本文提出了一種全數(shù)字四波段 SAR。由于采樣率高達(dá) 12Gsps，任意 1-1.5Ghz 的 L 波段波形和 4.75 到5.5GHz 的 C 波段信號(hào)可在非歸零（NRZ）模式下同時(shí)直接合成而不發(fā)生重疊。此外，由于在 RF 模式下DAC 可工作在多個(gè) NZ 中，X 波段的波形可在第二奈奎斯特域中產(chǎn)生，同時(shí)在第三奈奎斯特域中產(chǎn)生 Ku 波段的波形。特別是，X 波段的 9-10.2GHz 可與 Ku 波段的 16-17.5GHz 一起生成。圖 3 展示了 DAC 輸出的噪聲波形頻譜。

圖 3 DAC 輸出噪聲頻譜

　　為了避免混疊，DAC 的 NRZ 輸出在 5.5GHz 進(jìn)行低通濾波。然后，它被放大并發(fā)送至寬帶天線。而 RF 輸出則使用雙波段濾波器進(jìn)行濾波，以選擇出第 2 奈奎斯特域的 X 波段和第 3 奈奎斯特域的 Ku 波段，如圖 3b 所示。

　　圖 4 所示的多波段 SAR 架構(gòu)采用了脈沖雷達(dá)方案。因此，連接接收鏈的兩根天線各使用一個(gè)環(huán)行器。與 DAC 輸出類似，在使用兩個(gè)工作在相同的 12GHz 采樣時(shí)鐘的 ADC 對(duì)接收信號(hào)放大和數(shù)字化之前，需先對(duì)其進(jìn)行 L+C 通道的低通濾波和 X+Ku 通道的雙波段濾波。

圖 4 多波段 SAR 架構(gòu)

　　圖 5 給出了兩種 ADC 的頻率規(guī)劃。L 波段和 C 波段可直接采樣而不發(fā)生混疊，因?yàn)樗鼈兌悸湓诘?1 奈奎斯特域（6GHz）的范圍內(nèi)。另一方面，由于 X 波段和 Ku 波段位于第 2 奈奎斯特域和第 3 奈奎斯特域，它們分別對(duì)應(yīng)于第 1 奈奎斯特域的 1.8-3GHz 和 4-5.5GHz 的范圍，沒(méi)有重疊。高性能的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）可實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器的功能，用于合成所需的雷達(dá)信號(hào)并處理從 ADC 到高速固態(tài)硬盤(pán)（SSD）的高速數(shù)字信號(hào)。

圖 5 第 1 奈奎斯特域的 ADC 頻率規(guī)劃

　　在前端架構(gòu)中，輸入和輸出濾波器尤其重要。輸出濾波器是選擇所需的波段和抑制無(wú)關(guān)的混疊波段的必要器件。另一方面，為了防止其他帶外信號(hào)的干擾并降低整體噪聲水平，需使用輸入濾波器濾除噪聲和無(wú)關(guān)信號(hào)。這些濾波器可使用多波段濾波器技術(shù)在微帶上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)選項(xiàng)是將寬帶信號(hào)分成兩個(gè)單獨(dú)的波段，使用單波段濾波器濾波，然后重新組合。

　　為了使 DAC 的輸出電平與功率放大器的輸入端所需的電平匹配，我們需要使用中間驅(qū)動(dòng)器。功率放大器應(yīng)能夠處理合適的功率，以滿足每個(gè)頻段的發(fā)射功率要求。由于系統(tǒng)是基于脈沖的，因此有必要考慮傳輸功率的平均值，這可簡(jiǎn)化放大器的選擇。為了使發(fā)射器和接收器共用同一個(gè)天線，功率放大器的輸出端的寬帶環(huán)行器是必須使用的器件。

　　在接收端，根據(jù)發(fā)射功率的不同，需采用功率限制器件對(duì)低噪聲放大器（LNA）進(jìn)行保護(hù)。否則，如果環(huán)行器的隔離度不夠（通常為 20dB），在傳輸?shù)碾A段可能損壞低噪聲放大器。

　　機(jī)載系統(tǒng)演示樣機(jī)的研制

　　所有的 4 個(gè)工作頻段使用單一天線可實(shí)現(xiàn) SAR 成像的單相中心。然而，考慮到實(shí)際的增益和天線尺寸，單天線很難容納從 1GHz 到 18GHz 的超寬頻率跨度。此外，由于 L 波段和 C 波段使用相同的 DAC 和 ADC 進(jìn)行合成和數(shù)字化，X 波段和 Ku 波段也是如此，我們可方便地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單獨(dú)的模擬鏈路，如圖 4 所示。

　　對(duì)于機(jī)載應(yīng)用，L 波段和 C 波段可使用寬帶喇叭天線（如 Ainfo LB-560[6]）進(jìn)行發(fā)射和接收，這款天線支持0.5-6GHz 的頻率范圍的 10-12dBi 的恒定增益，如圖 6 所示。另一方面，多倍頻程喇叭天線（如 Ainfo LB-60180-20[7]）擁有 6-18GHz 的帶寬，支持 X 波段和 Ku 波段，X 波段的增益約為 20dBi，Ku 波段的增益約為 22dBi，如圖 7 所示。

　　對(duì)于 L+C 波段，可使用 RF-Lambda 的功率放大器 RFLUPA0706GG[8]進(jìn)行功率放大，其典型功率輸出為 48dBm，頻率范圍是 0.7-6GHz。對(duì)于 X+Ku 波段，可使用 RF-Lambda 的 RFLUPA0618GE[9]放大器，其典型輸出功率是50dBm，頻率范圍是 6-18GHz。

　　功率放大器的輸出可能需要使用帶通諧波抑制濾波器。在這種情況下，根據(jù)發(fā)射功率的不同，應(yīng)仔細(xì)評(píng)估微帶功率的處理。對(duì)于 X+Ku 波段的高功率寬帶環(huán)行器，一個(gè)可行的選擇是 DORADO 國(guó)際的 4CCM14-1[10]同軸型號(hào)，它可覆蓋 9-18GHz 的范圍，功率為 150W。在 L+C 波段的情況下，很難找到一款具有如此大分?jǐn)?shù)帶寬的環(huán)行器。另一個(gè)選擇是采用大功率同軸開(kāi)關(guān)，例如 RF-Lambda 的 RFSP2TR5M06GS[11]。

　　在這樣的高頻數(shù)字系統(tǒng)中，低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)是必不可少的。時(shí)鐘發(fā)生器可使用基于鎖相環(huán)的信號(hào)合成器來(lái)實(shí)現(xiàn)。Analog Devices 的微波合成器 ADF4152 集成了壓控振蕩器，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的噪聲特性[12]。時(shí)鐘分配器可使用高頻窄帶分配器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　Hitech Global HTG-960 Virtex UltraScale+ VU19P 開(kāi)發(fā)平臺(tái)[13]是一款優(yōu)秀的 FPGA 板卡，支持通過(guò) FMC 標(biāo)準(zhǔn)與 DAC 和 ADC 連接。FMC 接口還允許連接到非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范（NVMe）的高速 SSD（Raid0 配置），以記錄采集的數(shù)據(jù)。

　　該系統(tǒng)的功能可在輕型飛機(jī)上演示，如 Tecnam P92JS SmartBay[14]，它支持在機(jī)翼下的專用吊艙中安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

　　預(yù)期的雷達(dá)性能

　　至此我們已經(jīng)介紹了所需的所有系統(tǒng)組件，可根據(jù)表 1 中的參數(shù)計(jì)算預(yù)期的 SAR 性能。我們已經(jīng)考慮了損耗和噪聲的保守值，并假定飛行平臺(tái)在平均地面高度之上 2000m 的高度以 40m/s 的地面速度飛行。

表1 仿真參數(shù)

　　參考上述參數(shù)，可依據(jù)下式計(jì)算不同波段的 NESZ[15]。

　　其中 kB為玻爾茲曼常數(shù)，TN為 290°K 的參考溫度，r0是刈幅中心的傾斜范圍。假設(shè)分布反射為 0dBm2/m2，圖 8 展示了各子波段的地塊接收功率和傾斜范圍的函數(shù)關(guān)系。天線的整個(gè)-3dB 范圍的總集成功率也被標(biāo)出。由于 L 波段和 C 波段共享 LB-560 天線，其半功率波束寬度大于 39 度仰角，L 波段的頻率的刈幅非常大，從 2337m 到10369m。盡管 LB-560 天線在 L 波段和 C 波段的增益幾乎相同，但由于自由空間的衰減不同，C 波段的接收功率比 L 波段低 20dB。另一方面，X 波段和 Ku 波段共享更直接的 LB-60180-20，因此在這兩個(gè)更高的波段的刈幅更窄。

　　圖 9 展示了期望的 NESZ 和不同子波段的傾斜范圍的函數(shù)關(guān)系。期望的 NESZ 在 Ku 波段和 X 波段分別優(yōu)于-23dBm2/m2和-25dBm2/m2。低頻天線的范圍允許 SAR 在 L 波段產(chǎn)生高達(dá) 10km 的成像，但靈敏度較差。由于通常認(rèn)為優(yōu)于-20dBm2/m2的 NESZ 值表征良好的 SAR 成像質(zhì)量，L 波段和 C 波段的最大成像范圍被分別限制在 5819m 和 4092m。

　　機(jī)載處理和預(yù)期數(shù)據(jù)率

　　為了降低需記錄的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)率，我們需要對(duì)四個(gè)波段的接收信號(hào)進(jìn)行機(jī)載采樣和預(yù)處理，如圖 10 所示。具體地 說(shuō)，每個(gè)采樣波段都分別依據(jù)第一奈奎斯特域的中心頻率數(shù)字下變頻(DDC)到基帶。然后，通過(guò)級(jí)聯(lián)積分梳(CIC)濾波器對(duì)采樣率進(jìn)行抽取，以適應(yīng)瞬時(shí)帶寬。我們還需使用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器對(duì) CIC 濾波器的響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。然后，使用交叉相關(guān)器(Xcorr)對(duì)已濾波的信號(hào)進(jìn)行范圍壓縮，并將其限制在每個(gè)波段 4 倍過(guò)采樣的范圍以內(nèi)。最后，經(jīng)過(guò)合成的 6160MB/s 的數(shù)據(jù)率被發(fā)送到雙通道 Raid0 Gen.4 NVMe IP[16]中，這個(gè) IP 將壓縮的數(shù)據(jù)以 3080MB/s的數(shù)據(jù)率分別寫(xiě)入兩個(gè) Gen.4 NVMe SSD 中[17]。

　　結(jié)論和展望

　　本文對(duì)一種在 L、C、X 和 Ku 波段工作的全數(shù)字多波段 SAR 系統(tǒng)進(jìn)行了可行性研究。首先介紹了 Teledyne e2v 的創(chuàng)新的 DAC 和 ADC 的關(guān)鍵技術(shù)，然后提出了一種基于脈沖的 SAR 系統(tǒng)的初步架構(gòu)，最后以幾種商業(yè)器件和技術(shù)為例，評(píng)估了空中多波段 SAR 成像的機(jī)載演示系統(tǒng)的可行性。此外，本文也以 NESZ、接收功率和數(shù)據(jù)率的形式推導(dǎo)和分析了預(yù)期的性能。

　　未來(lái)我們將會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行更詳細(xì)的分析，包括脈沖響應(yīng)、相位線性度和雜散水平，然后進(jìn)行所述的機(jī)載多波段SAR 演示樣機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。這個(gè)演示樣機(jī)是更廣闊的技術(shù)路線圖的第一步。我們期待未來(lái)會(huì)有更新的設(shè)計(jì)，并由新 的宇航機(jī)構(gòu)和私營(yíng)公司推動(dòng)航天載荷的發(fā)展。